2023
2022
2021
2020
2019
2017
2016
2015
Структура и функция
4 балла
Представьте следующую ситуацию. К вам обратились коллеги по институту. Они занимаются изучением популяции определенных организмов и встретились с редкими мутациями в одном белке. От вас просят дать комментарий, воспользовавшись вашим знанием структурной биологии, о вероятности этих мутаций негативно влиять на функционирование этого белка.
Белок дан в виде UNIPROT ID в таблице. Там же дано 3 мутации, позиции в нумерации UNIPROT. Для каждой из мутаций дайте вердикт о том, как она может повлиять на структуру и функцию этого белка. Ваши рассуждения должны быть полными, быть подкреплены иллюстрациями, поясняющими ваш ход мыслей.
Как это делать
1. Найдите структуру.
Например, с помощью Protein blast, выбрав в качестве базы данных PDB. Структура может быть найдена для ортолога из другого организма. Учитывайте естественное расхождение в последовательности, когда будете делать выводы. Не забудьте указать код этой структуры и всех последующих, которые вы будете использовать.
2. Локализуйте позиции.
Нумерация в структуре из PDB может отличаться от таковой в UNIPROT. Как сопоставить нумерацию: либо по контексту позиции, либо изучив содержимое поля DBREF в шапке файла PDB.
3. Вообразите замену.
В этом может помочь инструментарий PyMol: Wizard > Mutagenesis. Он позволяет "примерить" другую аминокислоту (с перебором возможных ротамеров) в любой позиции. Учтите, однако, что он никак не работает с остовом, т.е. вы увидите результат замены при условии неизменности хода остова. Инструмент дает две численные метрики, которые могут выступать в качестве подсказок о возможности и эффекте замены. Strain (выводится в верхнее окно GUI) показывает Ван-дер-Ваальсовы перекрывания остатка с окружением. Ориентируйтесь на то, что Strain в пределах 20-25 – допустимый, то есть структура вероятнее всего спокойно релаксирует. Второе значение – представленность ротамера в природных структурах, выводится справа от названия объекта mutation. При прочих равных остаток примет ротамер с большей представленностью.
Если возникают вопросы с применением Wizard Mutagenesis, пишите преподавателям.
Другой полезный инструмент: PyMol: Wizard > Sculpting. Это примитивный инструмент псевдо-физического моделирования, позволяющий двигать куски белка, при этом не совершая запредельного насилия над его химической структурой. Выбрав этот инструмент, кликните ЛКМ на атоме, регион вокруг которого станет доступным для скульптурирования. Какие физические элементы работают в этом режиме:
- Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия (т.о. вы можете изучить, насколько действительно страшен Strain из мутагенеза, или белок может спокойно отрелаксировать)
- Геометрия ковалентных связей (длины, углы, торсионы)
При включенном режиме скульптурирования на все действия в режиме Editing будет "отклик" структуры белка.
4. Обсудите возможный эффект замены.
Варианты:
Замена может совсем нарушить/немного подпортить связывание субстрата/кофактора/кофермента, что, естественно, приведет к падению функциональности биомолекулы. Замена также может никак особо и не повлиять на связывание чего-либо, т.е. будет нейтральной. Возможно, замена и вовсе улучшит связывание.
Замена может повлиять и на фолдинг самого белка, создав новые зоны отталкивания или притяжения между группами. Структура может релаксировать, приняв эту замену, либо же эта замена может оказаться фатальной для укладки белка. Тут стоит особо внимательно смотреть на тип вторичной структуры.
Замена может быть в ключевом для катализа остатке и не быть аналогичной по химическим свойствам.
Как получить больше информации:
Уже имея опорную структуру, сделайте поиск по ней в PDBeFold, чтобы найти ее варианты с лигандами, кофакторами, аналогами субстратов. Также можете использовать PDBeKB Aggregated Views of Proteins.
PDBeFold, техническая справка
Как построить выравнивание хитов из выдачи структурного поиска
В таблице выдачи можно выбирать отдельные хиты. После чего под таблицей выбрать FOR ALL CHECKED MATCHES > Submit for multiple alignment include query. После чего на окне выдачи можно скачать измененные координаты белков по кнопке "download" в первой таблице.
Как использовать PDBeFold для выравнивания без поиска
В форме сабмишна в Target вместо всей базы PDB выбрать одну запись PDB или один файл. Дальше следовать по пути, описанному выше.
Инструменты выравнивания в PyMol
Для белков:
Совмещение по выравниванию последовательностей: align <что двигать>, <что оставить на месте>
Динамическое программирование: super <что двигать>, <что оставить на месте>
Combinatorial extention: cealign <что оставить на месте>, <что двигать>
Для чего угодно:
Fit: fit <что двигать>, <на что двигать>. Будут сопоставлены пары атомов из двух объектов/выделений, имеющие одинаковое имя, номер и тип остатка, имя цепи.
Pair fit: pair_fit <что двигать>, <на что двигать>. Атомы из двух объектов/выделений будут сопоставлены в порядке следования. Число атомов в объектах/выделениях должно быть равным.
Трансформация, рассчитанная для наилучшего пространственного сопоставления пар атомов, полученного любым из способов выше, тем не менее будет применена ко всем атомам в объекте, даже если они не были ни с чем сопоставлены. Так можно делать пространственные совмещения белков, связывающих один и тот же лиганд, отталкиваясь от лиганда, т.е. чтобы изучать устройство локального окружения в кармане связывания, а не сходство укладок целиком.